西山溪截洪渠治理工程護岸沖刷深度分析

潘永華

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

近年，為保障中小河流防洪排澇安全的前提下，深入貫徹落實鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，鼓勵河道治理與美麗鄉(xiāng)村、新農村建設、鄉(xiāng)村旅游及產業(yè)發(fā)展有機結合，充分發(fā)揮中小河流治理綜合效益，廣東省大力推進省內中小河流治理，潮州市潮安區(qū)西山溪截洪渠治理工程列入全省中小河流治理(二期)2018年治理任務項目，并已由廣東省水利廳批準實施。根據治理任務項目清單，潮州市潮安區(qū)西山溪截洪渠治理工程主要建設任務為河道清淤疏浚。本工程為清淤項目，因此清淤河底高程的確定極為重要，一方面需要河道整治后達到疏浚河道的效果，另一方面清淤后必須保證現狀護岸穩(wěn)定安全。一般護岸工程的損壞，除因布置不適當或本身護岸結構強度不夠外，往往是由于基礎埋設深度過淺，以至基礎被水流掏空而引起的；本次通過對工程清淤整治后的護岸沖刷深度分析，確定西山溪截洪渠的合理清淤河底高程[1]。

1 工程現狀

由于多年的粗放式發(fā)展，西山溪流域內小作坊式工礦企業(yè)多，區(qū)內瓷土等礦產資源豐富，多年來偷采、亂采現象嚴重，致使山體裸露，水土流失嚴重；近年來，由于河砂資源緊缺，流域內存在利用廢礦和泥漿進行洗砂現象，洗砂的泥漿也直接進入西山溪流域； 造成目前西山溪流域河道淤積嚴重，影響河道的行洪安全，制約當地的經濟社會發(fā)展。因此有必要進行清淤疏浚，保障防洪安全。

2 沖刷分類

河床的沖刷變形是水流泥沙的運動、河槽地質及構造物三者相互作用的結果，通?？煞譃楹哟沧匀谎葑儧_刷、一般沖刷和局部沖刷3類。

1)河床自然演變沖刷：天然河流泥沙在自然水流作用下不斷運動，形成的河床天然沖刷。關于河槽自然演變所產生的河槽沖刷，目前尚缺乏可靠的計算方法，因此必須調查具體河道的歷史發(fā)展情況和類似河流的實際觀測資料，并結合河道治理規(guī)劃作出適當的估計。

2)一般沖刷：由于河道構造物的存在，導致河道行洪斷面減少，壓縮水流后流速增大，水流挾沙能力隨之增大，引起整個收縮斷面河床的沖刷。

3)局部沖刷：由于河道構造物直接阻擋水流，當水流急劇流過構筑物，在橋臺前緣、橋墩周圍及導流堤上游端或丁壩端等部位，造成了水流流線結構的改變，流速、流向急劇變化，在其周圍以強烈的渦流形式與河槽泥沙發(fā)生作用，因而在構造物周圍，特別是迎水面附近形成向下的流束淘刷河床，在局部范圍內產生沖刷坑的現象。

河床總的沖刷深度是河床演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷的總和，洪水沖刷過程中上述三種沖刷是交織在一起同時進行的，但是，為了便于分析和計算，將三種沖刷深度分別確定，然后再疊加起來。而中國制定的橋下斷面一般沖刷深度計算公式的結果中包含了自然沖刷，這是因為這些橋下斷面一般沖刷深度計算公式的系數和指數是根據橋梁現場的實測沖刷資料制定的，所依據的實測資料已包含河床自然沖刷，兩者是無法分割的。因此在計算河床總的沖刷深度一般只需計算一般沖刷深度及局部沖刷深度[2]。

3 沖刷深度計算公式

本工程為中小河流治理項目，且護岸平順，根據《廣東省中小河流治理工程設計指南(試行)》(2018.6)中附錄B，沖刷深度計算應符合《堤防工程設計規(guī)范》(GB50286-2013)附錄D和《河道整治設計規(guī)范》(GB50707)附錄B的有關規(guī)定。

1)《河道整治設計規(guī)范》(GB50707-2011)中水流平行于防護工程產生的沖刷深度可按下式計算：

(1)

式中：△hB為局部沖刷深度，m；hp為沖刷處沖刷前的水深，m；Vcp為平均流速，m/s；V允為河床面上允許不沖流速，m/s；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，可取n=1/4。

2)《堤防工程設計規(guī)范》(GB50286-2013)中順壩及平順護岸沖刷深度可按下式計算：

(2)

式中：hS為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙的啟動流速，m/s；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取n=1/4-1/6。

參閱相關資料，發(fā)現公式(1)與公式(2)來源于《水力計算手冊(第2版2006)》(武漢大學水利水電學院水力學流體力學教研室 李煒主編)第5篇第3章第2節(jié)渡槽的水力計算。

根據《水力計算手冊》中渡槽支墩周圍河床的局部沖刷深度計算為：

(3)

式中：hB為支墩周圍河床的局部沖刷深度，m；hp為沖刷處的水深，m；Vp為建渡槽后計算水位下的主河槽平均流速，m/s；VH為河床允許的不沖流速，m/s；n為渡槽槽墩形狀系數，渡槽槽墩形狀系數見表1。

表1 渡槽槽墩形狀系數

由以上分析可知，公式(1)與公式(2)引用橋渡局部沖刷公式作為順壩及平順護岸沖刷深度的計算公式。公式(2)與公式(1)類似，兩者不同之處為公式(1)采用河床面上允許不沖流速計算，而公式(2)采用泥沙的啟動流速計算。本工程采用《河道整治設計規(guī)范》(GB50707-2011)與《堤防工程設計規(guī)范》(GB50286-2013)中順壩及平順護岸沖刷深度計算公式分別進行計算[3]。

4 西山溪截洪渠沖刷深度計算

采用公式(1)對本工程最不利行洪斷面進行計算，最不利行洪斷面沖刷前水深計算結果，見表2。

表2 最不利行洪斷面沖刷前水深計算結果

公式(2)對本工程最不利行洪斷面進行計算，最不利行洪斷面沖刷外水深計算結果，見表3。

表3 最不利行洪斷面沖刷外水深計算結果

根據以上計算結果分析，采用《河道整治設計規(guī)范》(GB50707-2011)與《堤防工程設計規(guī)范》(GB50286-2013)中順壩及平順護岸沖刷深度計算公式計算結果相差不大，公式(1)與公式(2)均可選用[4]。

本工程西山溪截洪渠護坡于2004年進行達標加固，結構形式為砌石基座埋深1m，基座以上為混凝土護坡。自2004年達標加固后至今又經多年運行，由于河道上游的水土流失及洗砂的泥漿也直接進入西山溪流域，致使西山溪截洪渠段目前平均淤積深度達1.0-1.5m，因此現狀基座埋深約2-2.5m，而沖刷深度計算結果約為2m，現狀護岸埋深基本滿足規(guī)范要求。本工程根據護岸沖刷深度計算結果、中小河流治理生態(tài)景觀要求及現狀護岸穩(wěn)定要求，采用復式斷面清淤，河道兩岸灘地(現狀護岸往河中心)5m范圍內只清除30cm表土，其余部分灘地與中部河槽清淤至設計底高程。

5 計算結果與現狀西山溪截洪渠沖刷淤積對比分析

根據護岸的沖刷深度計算結果可知，西山溪截洪渠現狀護岸基座沖刷深度約為2m，而在西山溪2004年進行達標加固整治后至今護坡基座沒有被沖刷，反而平均淤積深度達1.0-1.5m。根據沖刷深度計算結果，結合西山溪截洪渠現狀實際情況分析如下：

1)西山溪截洪渠上游瓷土等礦產資源豐富，多年來偷采、亂采現象嚴重，致使山體裸露，水土流失嚴重；近年來，由于河砂資源緊缺，流域內存在利用廢礦和泥漿進行洗砂現象，洗砂的泥漿也直接進入西山溪流域，導致西山溪截洪渠含沙量十分大。

2)西山溪截洪渠河床寬度約為40m，由于上游渠首高美橋閘的控制，高美橋閘兼顧發(fā)電，枯水期蓄水發(fā)電，基本過流斷面為6-8m主河槽，流速較小。局部小暴雨時期，水閘部分開啟，仍兼顧發(fā)電功能，流速依然不大。大暴雨時期水閘全開泄水，但是暴雨持續(xù)時間較短，水流對西山溪截洪渠的沖刷持續(xù)時間較短，且水流含沙量大。

西山溪截洪渠長時間受高美橋閘控制，水流流速較慢，河道不斷淤積；短時間進行開閘泄洪，水流流速較大，河道沖刷?！逗拥勒卧O計規(guī)范》與《堤防工程設計規(guī)范》中的沖刷深度計算公式是否適用此類河流工況仍不明確。

3)由于高美橋閘控制，西山溪截洪渠水流較小，導致在大部分時間內水流只在中部河槽流動，枯水期渠底兩岸裸露，雜草叢生，到了洪水期兩岸雜草等植物截留泥沙又影響行洪，周而復始，不斷使河床淤積。

4)由于本工程為清淤項目，無新建渠道建筑物直接阻擋水流，根據沖刷分類在計算原有護岸沖刷深度時，無需計算局部沖刷。在此項目中只需計算河床自然演變沖刷及一般沖刷，而一般沖刷計算公式中，有些公式已經包括了由于河槽自然演變引起的沖刷，結合《河道整治設計規(guī)范》與《堤防工程設計規(guī)范》中沖刷深度的描述為順壩及平順護岸的沖刷深度計算，因此本工程及一般護岸整治工程在計算護岸的沖刷深度時，只需計算因縮窄河床而產生的一般沖刷深度。然而《河道整治設計規(guī)范》與《堤防工程設計規(guī)范》的順壩及平順護岸沖刷深度計算公式來源于渡槽的局部沖刷深度計算公式，根據沖刷的分類可知，一般沖刷與局部沖刷的成因不同，這種將橋渡的局部沖刷深度計算公式引用為河道護岸的一般沖刷深度計算公式是否合理。

6 結 語

根據西山溪截洪渠護岸的沖刷深度計算、結合現狀河道的沖淤情況及運行條件，對同類型河道整治的沖刷深度計算有以下幾點建議：

1)除《河道整治設計規(guī)范》與《堤防工程設計規(guī)范》中順壩及平順護岸沖刷深度計算公式外，還可考慮選用橋渡一般沖刷計算公式(64-1修正式、64-2簡化式)及包爾達柯夫一般沖刷公式等進行計算。

2)河床沖刷是個很復雜的過程，而且每條河流的運行情況也不完全相同，因此需要根據實際情況具體，選取相適應的沖刷深度計算公式，率定有關參數。

3)由于河道護岸整治岸線很長，護岸構筑物埋深對工程的投資影響非常大，因此在此類護岸沖刷深度計算結果與河道多年實際沖淤情況有很大出入的河流，可根據河道實際沖淤情況確定渠底高程。

4)為適應中小河流不同時段流量差異較大的特點，河道清淤應盡可能采用復式斷面。

5)工程實施后加強對沖刷深度的測定工程，分析實際測量數據與理論計算結果，為工程積累設計經驗。